Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu mặt cắt hợp lý đập bê tông trọng lực vùng động đất

Nghiên cứu mặt cắt đập bê tông trọng lực trong vùng động đất. Phân tích thiết kế chống chịu, cơ học kỹ thuật, đảm bảo an toàn công trình thủy lợi.

• Tác giả: Nguyễn Duy Hưng
• Người hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Chiến
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Đề tài: Nghiên cứu xác định mặt cắt hợp lý của đập bê tông trọng lực xây dựng trong vùng có động đất
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đập bê tông trọng lực xây dựng vùng động đất

Đập bê tông trọng lực là loại công trình thủy lợi sử dụng chính trọng lượng bản thân để chống lại lực nước. Cấu trúc này có dạng mặt cắt hình tam giác hoặc hình thang, giúp phân bố lực đều xuống nền. Ở vùng có động đất, đập chịu thêm tải trọng động lực nguy hiểm. Tải trọng này thay đổi theo thời gian và gây ra ứng suất phức tạp trong thân đập. Nghiên cứu xác định mặt cắt hợp lý giúp đảm bảo an toàn và tiết kiệm vật liệu. Yếu tố cần kiểm tra bao gồm: cường độ chịu lực, ổn định chống trượt và điều kiện kinh tế. Mặt cắt đập phải đủ lớn để chống lại lực trượt nhưng không quá lãng phí bê tông. Các tiêu chuẩn thiết kế quy định rõ điều kiện an toàn cho đập trong vùng động đất. Công trình phải chịu được gia tốc nền thiết kế mà không mất ổn định. Đây là bài toán tối ưu hóa quan trọng trong kỹ thuật đập.

1.1. Khái niệm đập bê tông trọng lực và cấu tạo cơ bản

Đập bê tông trọng lực là công trình chắn nước bằng bê tông, hoạt động dựa trên nguyên lý trọng lực. Bản thân đập có khối lượng lớn để tạo lực nén xuống nền, chống lại lực ngang của nước. Mặt cắt ngang thường có dạng hình thang hoặc hình tam giác. Phía thượng lưu thường thẳng đứng hoặc nghiêng nhẹ. Phía hạ lưu có độ dốc thoải hơn. Đập nhỏ thường dùng mặt cắt hình thang đơn giản. Đập lớn có thể dùng dạng hình cong hoặc đa giác để tăng khả năng chịu lực. Kích thước mặt cắt phụ thuộc vào chiều cao đập, áp lực nước và điều kiện nền.

1.2. Tác động của động đất đến công trình đập bê tông trọng lực

Động đất gây ra rung động mạnh vỏ trái đất dưới dạng dao động đàn hồi. Khi xảy ra động đất, đập chịu thêm gia tốc quán tính theo phương ngang và đứng. Gia tốc này tạo lực cưỡng bức biến đổi theo thời gian tác động lên toàn bộ thân đập. Lực động đất có thể làm tăng ứng suất nén, kéo và uốn nguy hiểm. Đứt gãy địa chất gần công trình làm tăng nguy cơ mất ổn định. Đập có thể bị trượt trên nền hoặc nứt vỡ bê tông nếu mặt cắt không đủ lớn. Do đó, thiết kế đập trong vùng động đất đòi hỏi tính toán phức tạp hơn vùng yên tĩnh.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến mặt cắt đập trọng lực

Mặt cắt đập bê tông trọng lực chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. Tải trọng chính bao gồm: trọng lượng bản thân, áp lực nước thượng lưu và hạ lưu, lực thấm, lực băng và tải trọng động đất. Trong vùng có động đất, tải trọng động đất trở thành yếu tố quyết định kích thước mặt cắt. Gia tốc nền thiết kế được xác định theo bản đồ phân vùng địa chấn. Hệ số động đất越大, mặt cắt đập cần越大 để đảm bảo ổn định. Điều kiện nền đá cũng ảnh hưởng lớn đến thiết kế. Nền yếu cần mặt cắt rộng hơn để phân bố áp lực. Nền cứng cho phép dùng mặt cắt nhỏ hơn. Nhiệt độ và co ngót bê tông cũng tạo ứng suất bổ sung. Khe co giãn trong thân đập giúp giảm ứng suất nhiệt. Tất cả yếu tố này phải được xem xét đồng thời trong quá trình tối ưu hóa mặt cắt.

2.1. Tải trọng tác động lên đập trong điều kiện động đất

Đập bê tông trọng lực chịu nhiều loại tải trọng cùng lúc. Tải trọng tĩnh gồm trọng lượng bản thân và áp lực nước. Tải trọng động đất là lực quán tính do gia tốc nền gây ra. Lực này tỷ lệ với khối lượng từng phần của đập. Gia tốc nền gồm thành phần ngang và đứng, biến đổi theo thời gian. Theo phương trình động lực học, tổng lực bằng tổng lực quán tính, lực cản nhớt và lực đàn hồi. Phản ứng của đập phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng và tần số động đất. Khi tần số động đất gần tần số riêng của đập, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, làm tăng đáng kể chuyển vị và ứng suất.

2.2. Điều kiện nền địa chất và ảnh hưởng đến thiết kế mặt cắt

Nền địa chất quyết định khả năng chịu tải của đập. Nền đá cứng granite hoặc bazan cho phép ứng suất cho phép cao, mặt cắt đập có thể nhỏ hơn. Nền đất yếu hoặc đá phong hóa mạnh đòi hỏi mặt cắt rộng hơn để giảm áp lực lên nền. Hệ số ma sát giữa đập và nền ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định chống trượt. Trong vùng động đất, nền có thể bị hóa lỏng hoặc tăng lún. Mối nối giữa đập với nền và bờ phải được xử lý kỹ bằng hệ thống neo và chống thấm. Thăm dò địa chất chi tiết là bước bắt buộc trước khi thiết kế.

III. Phương pháp tính toán xác định mặt cắt hợp lý của đập trọng lực

Xác định mặt cắt hợp lý đòi hỏi phương pháp tính toán khoa học và chính xác. Phương pháp phổ biến là giải bài toán động lực học kết cấu sử dụng phương trình vi phân ma trận. Hệ đập được chia thành các phần tử hữu hạn, mỗi phần tử có khối lượng tập trung tại nút. Phương trình cân bằng động lực học gồm ba thành phần: lực quán tính, lực cản nhớt và lực đàn hồi. Phía bên phải là lực cưỡng bức từ động đất. Phương trình được giải theo thời gian để tìm chuyển vị, vận tốc và gia tốc tại mỗi nút. Phân tích dạng dao động riêng giúp xác định tần số và hình dạng daoộng của đập. Từ kết quả phân tích động, ứng suất được tính toán và kiểm tra điều kiện an toàn. Nếu không đạt, mặt cắt được điều chỉnh và tính toán lại cho đến khi đảm bảo tất cả điều kiện ổn định.

3.1. Mô hình toán học và phương trình động lực học

Mô hình toán học sử dụng hệ n bậc tự do với n khối lượng tập trung. Phương trình tổng quát có dạng: [M]{r''} + [C]{r'} + [K]{r} = [M]{1}{u''g(t)}. Trong đó [M] là ma trận khối lượng, [C] ma trận cản nhớt, [K] ma trận độ cứng. Thành phần bên phải là lực cưỡng bức từ gia tốc nền u''g(t). Nghiệm riêng cho biết tần số dao động riêng ωi và hình dạng dao động φki. Hệ số hình dạng ηki xác định mức độ tham gia của mỗi dạng dao động. Chuyển vị tương đối được tính bằng tích phân Duhamel theo thời gian động đất.

3.2. Quy trình tối ưu hóa mặt cắt đập và kiểm tra điều kiện an toàn

Quy trình tối ưu hóa bắt đầu bằng chọn mặt cắt ban đầu theo kinh nghiệm. Tiếp theo, phân tích tĩnh để kiểm tra áp lực nền và ổn định trượt cơ bản. Bước ba là phân tích động lực học với phổ phản ứng động đất thiết kế. Kiểm tra hệ số an toàn chống trượt phải đạt tối thiểu 1.0 đến 1.5 tùy tiêu chuẩn. Ứ suất nén và kéo không vượt giới hạn cho phép của bê tông. Chuyển vị tương đối giữa các khối không quá lớn. Nếu điều kiện nào không đạt, tăng kích thước mặt cắt và tính toán lại. Quá trình lặp tiếp tục đến khi đạt giải pháp tối ưu: vừa đảm bảo an toàn vừa tiết kiệm vật liệu.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế trong thiết kế đập trọng lực

Nghiên cứu xác định mặt cắt hợp lý có ý nghĩa thực tiễn lớn trong xây dựng đập. Kết quả cho thấy mặt cắt tam giác là dạng tối ưu cho đập bê tông trọng lực trong vùng động đất. Gia tốc nền thiết kế là yếu tố chi phối kích thước mặt cắt. Khi gia tốc tăng, diện tích cắt ngang phải tăng theo hàm phi tuyến. Phương pháp phân tích động lực học bằng ma trận cho kết quả chính xác hơn phương pháp tĩnh truyền thống. Phần mềm tính toán hữu hạn hiện đại giúp mô phỏng chính xác hành vi của đập dưới tác động động đất. Kết quả nghiên cứu áp dụng được cho nhiều loại đập với chiều cao và điều kiện nền khác nhau. Cần tiếp tục nghiên cứu về ảnh hưởng của tương tác đập-nền-nước và hiệu ứng cộng hưởng. Công trình đập trong vùng động đất phải được thiết kế dựa trên phân tích probabilistic để đánh giá rủi ro toàn diện.

4.1. Kết quả nghiên cứu chính về mặt cắt đập tối ưu

Nghiên cứu xác định rằng mặt cắt hình tam giác là lựa chọn phổ biến và hiệu quả nhất. Chiều rộng đáy đập tỷ lệ thuận với chiều cao và gia tốc động đất thiết kế. Với đập cao 50m trong vùng động đất cấp 7, tỷ lệ rộng đáy trên cao thường đạt 0.7 đến 0.9. Phân tích cho thấy dạng dao động riêng thứ nhất chi phối phản ứng của đập. Hệ số cản 5% là giá trị hợp lý cho bê tông. Chuyển vị đỉnh đập phải nhỏ hơn 1/300 chiều cao để đảm bảo an toàn. Kết quả tính toán phù hợp với thực tế xây dựng đập tại Việt Nam.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển trong thiết kế đập Việt Nam

Kết quả nghiên cứu áp dụng cho thiết kế đập tại các vùng có hoạt động địa chấn ở Việt Nam như Tây Bắc, miền Trung. Các tiêu chuẩn TCXD và TCVN hiện hành đã quy định tải trọng động đất cho từng vùng. Phần mềm ANSYS, SAP2000 hoặc mã nguồn mở OpenSees hỗ trợ tính toán hiệu quả. Hướng phát triển bao gồm: mô hình hóa tương tác đập-nền-nước bằng phần tử hữu hạn, phân tích phi tuyến vật liệu bê tông, đánh giá rủi ro theo xác suất. Nghiên cứu cũng cần xem xét biến đổi khí hậu làm thay đổi mực nước thiết kế, ảnh hưởng đến tải trọng lên đập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ VIỆC XÁC ĐỊNH MẶT CẮT ĐẬP 1.Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới và ở Việt Nam.Tổng quan về xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới. Đập bê tông trọng lực là loại đập được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Ra đời sau đập đất và không phổ biến rộng như đập đất, nhưng đa số các đập cao trên 100m là đập bê tông. Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD), tính đến năm 2000, trên thế giới đã có khoảng 45.000 đập lớn phân bố ở 140 nước.

Nước có nhiều đập nhất trên thế giới là Trung Quốc với 22.000 đập chiếm 48% số đập trên thế giới. Đứng thứ hai là Mỹ có 6. Đứng hàng thứ ba là Ấn Độ có 4.291 đập, sau đó là Nhật Bản với 2.675 đập, tiếp đến là Tây Ban Nha có 1. Việt Nam có gần 500 đập đứng thứ 16 trong các nước có nhiều đập cao trên thế giới.

Hiện nay đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% trong tổng số các loại đập đã được xây dựng trên thế giới. Với đập cao trên 100m, đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 30%. Tốc độ xây dựng đập cao trên thế giới cũng không đều. Thống kê đập xây dựng từ năm 1900 đến năm 2000 ta thấy thời kỳ xây dựng nhiều là những năm 1950.

Đỉnh cao là năm 1970. Tình hình này cũng xảy ra tương tự ở vùng xây dựng nhiều đập như ở Châu Á, Bắc Mỹ, Tây Âu. Theo con số thống kê đập ở 44 nước của ICOLD-1997, số đập cao 15÷30m chiếm 56.2%, đập cao hơn 30m chiếm 23.8%, đập cao hơn 150m chỉ có 0.1 Biểu đồ xây dựng đập lớn trên toàn thế giới (1900-2000) 4 Một số đập bê tông trọng lực đã được xây dựng trên thế giới: Đập Grande Dixence (Thụy sĩ) là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới với chiều cao lên tới 285m. Đập được xây dựng trên sông Dixence, một phụ lưu trên thượng nguồn Rhône trong vùng núi Alpes phía tây nam Thụy sĩ, gần biên giới với nước Pháp.2 : Đập Grande Dixence nhìn từ hạ lưu Đập Tam Hiệp (Trung Quốc) được xây dựng trên sông Dương Tử tại Tam Đẩu Bình, Nghi Xương, tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc.

Chiều cao đập: 185 m. Chiều dài đập: 2.390 m Hình thức: Đập bê tông trọng lực. Tổng dung tích hồ: 38 tỷ m3. Dung tích phòng lũ: 22,38 tỷ m3.

Diện tích mặt hồ: 13.000 km2 Chiều dài hồ (theo sông): 660 km. Số tổ máy phát điện: 26 tổ máy, công suất mỗi tổ 700 MW Công suất phát điện thiết kế: 18.200 MW Điện lượng: 84,3 tỷ kWh/năm.3 : Toàn cảnh đập Tam Hiệp Đập Itaipu (Biên giới Brazil và Paraguay) được xây dựng trên sông Parana. Chiều dài đập 7235m.4 : Toàn cảnh đập Itaipu. 6 Đập Guri (Venezuela) được xây dựng trên sông Caronni.

Chiều cao đập: 162 m. Chiều dài đập: 7.426 m Công suất phát điện thiết kế: 10.5 : Toàn cảnh đập Guri. Đập Tucurui (Brazil) là một đập bê tông trọng lực được xây dựng trên sông Tocantins nằm ở huyện Tucurui, Brazil Chiều cao đập: 78 m. Chiều dài đập: 6.6 : Toàn cảnh đập Tucurui.

Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam. Thời kì trước năm 30 của thế kỷ 20, ở nước ta đã xuất hiện một số đập bê tông trọng lực nhưng mới chỉ là những đập thấp có chiều cao khoảng 5m đến 10m, chưa có những đập lớn. Các đập có kết cấu đơn giản, thi công nhanh bằng thủ công, kỹ thuật không phức tạp ngoại trừ đập Đồng Cam, tỉnh Phú Yên do đặc điểm thủy văn của sông Đà Rằng. Phần lớn công việc từ thiết kế, chỉ đạo thi công là do các kỹ sư Pháp thực hiện, xi măng nhập từ châu Âu, cấp phối bê tông chủ yếu dựa vào các kết quả nghiên cứu của nước ngoài, chưa có những giải pháp và công nghệ phù hợp với Việt Nam.

Giai đoạn từ năm 1930 đến 1945 người Pháp tiếp tục xây dựng ở nước ta một só đập bê tông trọng lực như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước tưới, đập Đáy ở Sơn Tây có nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như đập dâng An Trạch ở Quảng Nam….1 Bảng thống kê một số đập bê tông được xây dựng ở Việt Nam Giai đoạn trước năm 1945 Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam (Giai đoạn trước năm 1945) TTT Tên Địa điểm xây dựng Năm xây dựng 1 Cầu Sơn Sông Thương-Bắc Giang 1902 2 Liễn Sơn Sông Phó Đáy 1914-1917 3 Bái Thượng Sông Chu- Thanh Hóa 1920 4 Thác Huống Sông Cầu- Thái Nguyên 1922-1929 5 Đồng Cam Sông Đà Rằng- Phú Yên 1925-1929 6 Đô Lương Sông Cả- Nghệ An 1934-1937 7 Đập Đáy Sông Đáy- Hà Tây 1934-1937 Giai đoạn từ 1945 đến 1975, đất nước có chiến tranh nên xây dựng thủy lợi bị hạn chế, nhưng cũng xây dựng được một số tràn thấp như tràn thủy điện Thác Bà, đập tràn thủy điện Cấm Sơn, Đa Nhim…. 8 Từ năm 1975 đến nay, nước ta bước vào sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa nên các công trình thủy lợi, thủy điện được xây dựng khắp cả nước, và đập bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú. Đầu mối các công trình thủy lợi, thủy điện như: Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông, PleiKrong, Sê San 3 và Sê San 4, Bản Vẽ, Hòa Bình, Tuyên Quang, Sơn La… là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m3 bê tông, chiều cao từ 70-138m. Việt Nam đã và đang sử dụng thành công kĩ thuật và công nghệ hiện đại để xây dựng các đập bê tông trọng lực có quy mô cả về chiều cao và khối lượng bê tông ngày một lớn hơn.

Một số đập bê tông trọng lực được xây dựng ở Việt Nam : Đập Sơn La là đập bê tông trọng lực nằm trên dòng sông Đà tại địa phận xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La. Chiều cao đập: 138 m, Chiều dài đập: 1.000 m Hình thức: Đập bê tông trọng lực, Tổng dung tích hồ: 9,26 tỷ m3. Dung tích phòng lũ: 7 tỷ m3, Diện tích mặt hồ: 224 km2 Số tổ máy phát điện: 6 tổ máy, công suất mỗi tổ 400 MW Công suất phát điện thiết kế: 2400 MW Điện lượng: 10,227 tỷ kWh/năm.7 : Toàn cảnh đập Sơn La nhìn từ hạ lưu 9 Đập Bản Vẽ được xây dựng tại tỉnh Nghệ An. Chiều cao đập: 137 m.

Chiều dài đập: 509 m Hình thức: Đập bê tông trọng lực. Tổng dung tích hồ:1,8 tỷ m3. Số tổ máy phát điện: 2 tổ máy, công suất mỗi tổ 320 MW Công suất phát điện thiết kế: 640 MW.8 : Toàn cảnh đập Bản Vẽ nhìn từ hạ lưu 1. Hình dạng và kích thước mặt cắt đập bê tông trọng lực.

Mặt cắt đập là phần giao cắt giữa thân đập và mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với trục đập. Ban đầu mặt cắt đập bê tông trọng lực có dạng hình thang hoặc hình chữ nhật. Ngày nay, việc áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào thiết kế, thi công đập bê tông trọng lực mặt cắt các đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc đa giác. Các đập nhỏ, kết cấu đơn giản dạng mặt cắt hình thang vẫn thường được sử dụng.

Hình dạng và kích thước mặt cắt đập bê tông trọng lực phải đảm bảo đủ về cường độ chịu lực, ổn định về chống trượt và đảm bảo điều kiện kinh tế. Trong nghiên cứu và tính toán thiết kế mặt cắt đập bê tông trọng lực thì mặt cắt được chọn phổ biến nhất là mặt cắt dạng tam giác. 10 Hình dạng mặt cắt thực tế còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như: nối tiếp giữa đập với nền và bờ, tạo các khe rộng trong thân đập….9 :Các dạng mặt cắt của đập bê tông trọng lực 1.Ảnh hưởng của động đất đến ổn định và độ bền của đập 1.1 Nguyên nhân gây ra động đất Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới dạng các dao động đàn hồi. Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh.

-Nội sinh: liên quan đến vận động phun trào núi lửa, do sập đổ trần các hang động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút chìm xuống dưới một mảng khác, do hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong các mảng lục địa. 11 -Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với khối lượng lớn. -Nhân sinh: do các vụ thử hạt nhân ngầm dưới đất, các hoạt động xây dựng hồ chứa làm mất cân bằng trọng lực môi trường, do bơm hút nước ngầm, khí đốt gây sụp đổ ngầm dưới đất. Động đất ở Việt Nam thuộc kiểu do hoạt động của đứt gãy tạo ra, đều có chấn tiêu (tâm phát sinh động đất) nông, thường ít sâu quá 20km.

Nước ta không có núi lửa đang hoạt động, nằm rất xa các đới hút chìm và đới dồn mảng nên không có kiểu động đất liên quan đến cấu trúc này như ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay vùng núi Himalaya.Một số khái niệm về động đất 1. Chấn tâm, chấn tiêu. -Nơi phát sinh dịch chuyển của động đất được gọi là chấn tiêu (hoặc lò động đất). Hình chiếu của chấn tiêu lên mặt đất gọi là chấn tâm của động đất.

- Độ sâu chấn tiêu H là khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất , tức là khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm. Khoảng cách chấn tiêu là khoảng cách từ một điểm bất kỳ trên mặt đất đến chấn tiêu (còn gọi là tiêu cự, ký hiệu là Δ). Khoảng cách chấn tâm của một điểm là khoảng cách từ điểm đó đến chấn tâm (còn gọi là tâm cự, ký hiệu là D). - Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình 60-300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <15Km.

Chấn tiêu sâu nhất đo được là 720Km ở Florida (Mỹ). Động đất có sức tàn phá lớn nhất là động đất chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng lượng đàn hồi tích lũy. Biểu đồ động đất Biểu đồ ghi lại chuyển động nền theo thời gian được gọi là biểu đồ động đất bao gồm các loại biểu đồ: chuyển vị (mm), gia tốc (m/s2), vận tốc (m/s). Biểu đồ 12 động đất là các tài liệu quan trọng để đánh giá tính chất của một trận động đất đồng thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn.

Thang động đất và cấp động đất.